ABB 로봇 기어박스의 마모를 고장 전에 식별하는 방법
우리는 수년간 현장에서 이를 너무나 자주 목격해 왔습니다. 생산 라인에 설치된 ABB 로봇은 그동안 잘 작동하고 있었으나, 어느 날 갑자기 용접 품질이 벗어나기 시작했고, 로봇의 이동 경로가 흔들리기 시작했으며, 동작 하나하나가 불안정해졌습니다. 심각한 경우 바로 경보가 발생하여 시스템이 강제 종료되면서 전체 라인이 마비되는 상황까지 이르렀습니다. 모두가 혼란스러운 가운데 프로그램을 점검하고, 엔코더를 확인하며, 공구를 검사한 후 결국 기어박스를 분해해 보았더니, 이미 오래전부터 고장이 나 있었던 것이었습니다. 다만 그 전에는 누구도 그 미세한 신호를 주의 깊게 살펴보지 않았던 것이죠.
특히 용접, 핸들링, 적재/적출, 프레스 작업 등에 사용되는 이러한 로봇의 경우, 장기간 고부하 상태에서 지속적으로 회전함에 따라 기어박스는 경고 없이 갑자기 고장나는 경우가 거의 없습니다. 사실 기어박스는 고장이 발생하기 훨씬 이전부터 ‘안녕하세요’라는 신호를 꾸준히 보내고 있습니다. 그러나 많은 공장에서는 이를 단순히 ‘오래된 기계는 다 그렇다’고 여겨 무시하는 경우가 많습니다. 
많은 사람들이 문제를 처음 인식하는 시점은 로봇이 "예전만큼 정확하지 않다"고 느낄 때이다.
그것이 실제로 가장 흔한 초기 징후입니다. 흥미로운 점은 현장 엔지니어들이 거의 항상 기어박스를 첫 번째 원인으로 고려하지 않는다는 것입니다. 그들의 문제 해결 순서는 보통 다음과 같습니다: 먼저 TCP가 바이어스되지 않았을 가능성을 의심하고, 누군가 용접 건을 잘못 조작했는지 확인합니다. 다음으로 프로그램을 점검하여 포인트가 정확한지 확인하고, 인코더를 살펴보아 펄스 손실이 없는지 확인합니다. 심지어 서보 파라미터가 드리프트되지 않았는지, 또는 고정장치가 느슨해지지 않았는지도 의심합니다. 이러한 일련의 점검은 매우 일반적이며, 결국 미터기를 사용해 측정해 보니 특정 축의 백래시(backlash)가 명백히 커진 것을 발견하게 됩니다. 이는 용접 로봇에서 특히 쉽게 관찰됩니다. 원래 용접 라인이 매우 매끄럽게 진행되었으나, 이제 아크가 불안정해지고, 아크 경로가 균일하지 않으며, 동일한 프로그램을 매번 실행할 때마다 궤적이 약간씩 편차를 보입니다. 때때로 고객은 비전 시스템에 문제가 있다고 생각하지만, 사실은 기어박스 내부의 간극이 마모되어 작동 전달이 로봇 암의 움직임을 정확히 따르지 못하는 것입니다.
ABB 로봇 기어박스 마모로 인해 '백래시(backlash)'가 점점 더 뚜렷해질 것임
정비와 관련된 업무를 수행하는 사람이라면 누구나 ‘백래시(backlash)’라는 용어를 익숙하게 알고 있을 것이다. 이는 기계 부품 간에 틈새가 존재함을 의미한다. 모터 측은 분명히 회전하고 있으나, 기계 측은 실제로 움직이기 전에 약간의 허용 여유 이동(공회전)을 기다려야 한다. 신형 로봇의 관절부는 매우 정밀하게 조립되어 있지만, 장기간 사용으로 인해 감속기 내부의 행성 기어 및 베어링이 마모되면 치니가 벌어지고, 베어링도 느슨해지며, 맞물림 정밀도가 저하된다. 이로 인해 로봇은 반복 위치 결정 오차, 경로 편차, 가·감속 시 약간의 흔들림 등이 나타나기 시작한다. 가장 골치 아픈 점은 이러한 상태가 초기에는 별다른 심각성을 보이지 않아 많은 경우 몇 달간은 어찌어찌 버티기도 한다는 것이다. 그러나 어느 축의 마모가 일정 임계치를 넘어서면 급격한 성능 저하가 발생하는데, 예를 들어 처음 두 주 동안은 약간의 오차만 있었으나, 갑자기 충돌 또는 과부하 경고가 발생하기도 한다.
로봇 관절에서 '딸그럭' 소리가 나기 시작합니다. 사실 이미 매우 위험한 상태입니다!
정상적으로 작동할 때 로봇의 소리는 매우 고르며, 부드러운 기계음과 함께 고른 윙윙거리는 모터 소리가 납니다. 그러나 기어박스에 문제가 생기면 즉시 소리가 변하게 되어 금속 간 마찰로 인한 쉿하는 소리나 '딱-딱-딱-딱' 하는 소리가 섞이게 됩니다. 가속 및 감속 시에는 심지어 낮은 음으로도 그 소리를 들을 수 있으며, 관절에 손을 대면 내부에서 무언가가 두드리고 있는 듯한 진동을 느낄 수 있습니다. 생산 라인에서 오래된 작업자들은 흔히 이렇게 말합니다. '요즘 이 로봇 소리가 좀 이상하네요.' 이런 말을 들으면 즉시 조치를 취해야 합니다. 왜냐하면 이 시점에서 이미 기어가 긁힌 상태이거나 베어링 케이지가 손상되었거나, 윤활 그리스가 성능을 잃어 금속 간 직접 접촉이 발생하고 있을 가능성이 높기 때문입니다. 이를 방치하면 약간의 마모가 금방 기어들 사이의 강한 맞물림(하드 바이트)으로 악화되고, 일단 치아가 깨지면 전체 감속기(리듀서)는 거의 폐기 수준에 이르게 됩니다.
그나저나, 우리는 워크숍에서 과도한 기어박스 문제를 너무 자주 목격해 왔습니다. 사실 이 문제의 근본 원인은 윤활에 있습니다. 많은 공장에서는 로봇을 매일 가동하면서 윤활 및 정비를 매우 대충 수행하고 있으며, 특히 일부 노후된 생산 라인에서는 더욱 그러합니다. 그리스 보충 주기는 오래전부터 유성 실링의 노화 여부를 고려하지 않고 진행되며, 관절 부위에서 기름이 새는지 여부를 점검하는 사람조차 거의 없습니다. 기름이 스며나온 부분을 닦아내고 계속 가동하는 것이 일반적인데, 이 과정에서 그리스가 수증기, 먼지 또는 금속 분말과 혼합되어 그대로 사용됩니다. 오랜 시간이 지나면 윤활 상태가 악화되어 내부 마찰이 급격히 증가하고, 이에 따라 온도도 상승하게 되며, 톱니면 상의 유막이 유지되지 못하게 됩니다. 그 결과 비정상적인 마모가 시작됩니다. ABB 감속기 자체는 매우 높은 정밀도를 요구하며, 기어의 맞물림 및 베어링 간 간극이 특히 작기 때문에 윤활 조건에 대한 요구 수준이 매우 높습니다. 한 번이라도 그리스가 묽어지거나 마르거나 오염되면, 마모 속도는 기하급수적으로 증가합니다. 일부 기어박스는 만져보면 뜨겁기까지 하는데, 이는 보통 윤활이 완전히 실패했음을 알리는 신호이며, 오일은 이미 오래전부터 보호 기능을 상실한 상태입니다.
온도는 꽤 직관적인 시각적 단서입니다.
로봇이 일정 시간 동작한 후 각 축의 조인트 온도를 직접 만져보는 방법을 시도해 볼 수 있습니다. 정상적인 상황에서는 온도 상승이 비교적 안정적이며, 특정 조인트가 다른 조인트들에 비해 갑자기 훨씬 더 뜨거워지는 일은 없습니다. 특히 J2 및 J3와 같이 큰 하중이 걸리는 조인트의 경우, 장기간 비정상적으로 과열된다면 내부 마찰이 과도하거나 윤활이 부족하거나 베어링이 이미 손상되었거나 과부하 상태로 작동 중일 가능성이 가장 높습니다. 많은 기어박스는 실제로 고장나기 전까지 오랜 기간 동안 ‘고열’ 상태로 조용히 작동해 왔습니다. 따라서 점점 더 많은 공장에서 열화상 카메라를 정기적으로 사용해 로봇 전체 라인의 조인트를 스캔하기 시작하고 있으며, 이 방법은 매우 효과적입니다. 온도 변화만으로도 사전에 많은 문제를 파악할 수 있어, 로봇 고장이 발생하기를 기다릴 필요가 없습니다.
ABB 로봇이 진동하기 시작하면, 대부분의 경우 문제는 더 이상 경미하지 않습니다!
가속할 때 전체 암이 약간 떨리는 것을 볼 수 있으며, 정지 직후 몇 차례 흔들림이 발생합니다. 고속으로 작동할 때는 궤적이 둥글고 매끄럽지 않으며 미세한 톱니 모양의 거친 느낌이 듭니다. 많은 사람들이 서보 이득(Servo Gain) 조정이 부족하다고 생각하지만, 인코더에 이상이 없고 모터에도 문제가 없으며 파라미터가 변경되지 않았음을 확인한 경우, 대부분 감속기 내부의 강성(Rigidity)이 부족하기 때문입니다. 특히 RV 기어박스를 사용하는 관절에서 이러한 현상이 두드러지는데, 사이클로이드 및 베어링이 마모되기 시작하면 진동이 갑자기 나타났다가 사라지며, 점차 그 은폐가 어려워집니다.
또 다른 하나는 특히 간과하기 쉬운 문제인데, 바로 오일 누출입니다.
저는 너무나 많은 공장을 봐 왔습니다. ABB 로봇의 관절에서 기름이 새어 나오는 원형 자국을 보자마자, 대부분의 공장에서는 첫 번째 반응으로 천을 들어서 그 기름을 닦아내며 ‘괜찮아요, 아직 작동합니다’라고 말하곤 합니다. 그러나 사실 기름 누출은 기본적으로 밀봉 부품이 열화되었음을 알려주는 신호입니다. 내부의 윤활유가 외부로 유출되고, 동시에 외부의 이물질도 내부로 침입할 수 있습니다. 기어박스는 특히 윤활유 부족을 가장 두려워하는데, 특히 하루 24시간 연속 회전하는 경우라면 윤활이 끊기면 마모 속도가 즉각 급격히 증가합니다. 많은 기어박스는 수리가 가능하지만, 장기간 기름 누출을 심각하게 여기지 않아 결국 내부 부품 전체가 심하게 마모되어 전부 교체해야 하는 상황에 이르게 됩니다.
여기서 여러분은 이렇게 물을 수 있습니다. 왜 몇 년 된 ABB 공장 로봇들 중 상당수에서 기어박스에 문제가 쌓이기 시작하는 것일까? 사실, 자세히 생각해 보면 이는 전혀 이상하지 않습니다. 산업용 로봇 자체가 고주파 작동을 하는 기계이며, 용접 로봇은 하루 종일 흔들리며 움직이고, 핸들링 로봇은 끊임없이 가속·감속을 반복하며 시작과 정지를 반복하며, 무거운 적재·적출(Palletizing) 로봇은 장기간 고속으로 만하중을 지탱하고, 기계공작기계의 부품 적재 및 적출 작업은 하루에 수천 차례 반복됩니다. 이러한 과정에서 기어박스는 지속적으로 충격과 교번 응력을 받게 됩니다. ABB의 품질이 아무리 우수하더라도, 기계 부품의 마모는 누구도 피할 수 없는 물리 법칙입니다. 특히 정격 하중의 상한선 근처에서 연중무휴로 작동하는 로봇의 경우, 감속기의 수명은 더욱 뚜렷이 단축됩니다.
많은 사람들이 ‘기어박스를 수리해야 할까, 아니면 교체해야 할까?’라는 질문에 고민하고 있습니다.
당사의 경험에 따르면, 베어링의 백래시가 약간 증가하거나 가끔씩 삐걱거리는 소리가 나거나 오일 실이 누출되기 시작하는 경우, 일부 경우에는 베어링과 오일 실을 점검·정비하고 프리로드를 재조정함으로써 수리해 볼 수 있습니다. 그러나 정밀도가 심각하게 저하되었거나 내부 기어가 과도한 응력을 받았거나, 진동이 심해 전체 암이 흔들릴 정도가 되었거나, 장기간 고온에서 작동했거나, 분해 후 내부에 철 filings(철가루)이 가득 찬 경우라면 대부분 새 제품으로 직접 교체하는 것이 경제적입니다. 왜냐하면 감속기가 고장나서 로봇이 갑자기 정지할 경우, 그로 인한 손실은 시간 단위 또는 심지어 분 단위로 계산되며, 생산 라인 가동 중단 비용에 비하면 감속기 자체의 비용은 사실상 무시할 수 있을 정도이기 때문입니다.
이러한 사고방식을 서서히 이해하게 되면서, 이제 점점 더 많은 공장들이 고장이 난 후에야 수리하는 방식을 기다리지 않고, 능동적으로 예측 정비(Predictive Maintenance)를 실시하고 있다. 정기적으로 진동을 측정하고, 열화상 카메라를 사용해 온도 분포를 확인하며, 계측기를 이용해 백래시(backlash) 변화를 점검하고, 궤적 정확도의 추세를 추적하며, 새로운 소음 주파수를 듣는 등 다양한 방법을 활용한다. 우리는 ABB 로보틱스의 기어박스가 완전히 고장나기 전에 사실 충분한 경고 신호를 주었음을 점차 인식하게 되었는데, 다만 그 이전까지 이를 체계적으로 관찰하는 사람이 없었을 뿐이었다. 조기에 문제를 발견하면 정비 비용이 낮아지고, 계획되지 않은 가동 중단이 발생하지 않으며, 한밤중에 갑작스럽게 작동이 중단되는 상황도 피할 수 있을 뿐 아니라, 모터 및 인코더가 끌려가면서 발생하는 2차 손상도 방지할 수 있다. 그래서 현재 많은 고급 자동화 라인에서는 로봇 감속기(Robot Reducer)의 상태를 정기 점검 및 모니터링 계획에 포함시키고 있다.
